Effekter av koffein på EEG Theta/Beta-forhold og kognitiv kontroll

BAKGRUNN OG FORSKNINGSMÅL

Kognitiv kontroll er en essensiell del av kognitiv funksjon, som tillater toppstyrt, målstyrt kontroll over stimulusdrevne, automatiske prosesser. Den prefrontale cortex (PFC) i hjernen spiller sannsynligvis en viktig rolle i mange aspekter av kognitiv kontroll, inkludert måldrevet oppmerksomhet, arbeidsminne og følelsesregulering. Tidligere EEG-studier som undersøkte kognitiv kontroll har identifisert en potensiell elektrofysiologisk markør for PFC-mediert kognitiv kontroll. Disse studiene har funnet at forholdet mellom EEG-målte theta- og beta-hjerneoscillasjoner er forhøyet hos barn med ADHD (som generelt opplever dårlig kognitiv kontroll), og hos uselekterte voksne med dårlig oppmerksomhetskontroll. Dette teta/beta-forholdet (TBR) antas å reflektere i hvilken grad prefrontal hjerneaktivitet viser regulatorisk kontroll over mer bakre og subkortikale hjerneområder, noe som har gjort dette tiltaket nyttig i diagnostisering og behandling av lidelser relatert til dårlig kognitiv kontroll som f.eks. ADHD.

I denne studien foreslår etterforskerne en ny metode for ytterligere å validere TBR som en elektrofysiologisk markør for kognitiv kontroll, ved å administrere koffein til deltakerne. Koffein er allment kjent for å forbedre ulike aspekter av kognitiv kontroll, som forventes å gå sammen med en reduksjon i TBR.

Viktigere er at kognitiv kontroll drar nytte av både vedlikehold av oppgaverelevante representasjoner og fleksibel oppdatering av disse representasjonene. Disse kognitive kontrollfunksjonene kan stole på noe forskjellige områder av hjernen. Nemlig, mens vedlikehold av oppgaverelevante representasjoner kan være mer avhengig av PFC-funksjon, kan den fleksible oppdateringen av disse representasjonene stole mer på dopaminerg aktivitet i striatum. Theta/beta-forhold som en markør for PFC-aktivitet kan dermed spesifikt reflektere oppgaverelevant vedlikehold av informasjon, og å kontrastere dette EEG-målet til et mål på striatal dopaminaktivitet kan kaste mer lys over arten av TBR. I denne studien vil etterforskerne gjøre det ved å måle spontane øyeblinkhastigheter (EBR), som har vist seg å være følsomme for dopaminerg striatal aktivitet.

Det første målet med denne studien vil være å ytterligere validere theta/beta ratio (TBR) som en elektrofysiologisk markør for PFC-mediert kognitiv kontroll ved å administrere koffein til friske deltakere. Etterforskerne forventer at (1a) theta/beta-forholdet vil være omvendt relatert til kognitiv kontrollytelse (oppmerksomhetsfokus, oppmerksomhetsskifte, arbeidsminne; målt med TACT og N-back; muligens hovedsakelig relatert til TACT-fokusytelse), (1b) koffein vil øke kognitiv kontrollytelse, (1c) koffein vil redusere theta/beta-forholdet, og at (1d) disse gunstige effektene av koffein på kognitiv ytelse vil bli mediert av denne reduksjonen i theta/beta-forholdet.

Det andre målet med denne studien vil være å undersøke om TBR og EBR differensielt modererer effekten av koffein på kognitiv kontroll. Nemlig, siden disse målingene sannsynligvis reflekterer aktiviteten til forskjellige hjerneområder, kan de forutsi differensielle (muligens inverterte U-formede) effekter av koffein avhengig av deres baseline-aktivitet. For eksempel kan det å øke striatal dopamin gjennom koffeinforbruk bare være fordelaktig når initial striatal dopaminerg aktivitet (som reflektert av baseline EBR) ikke er for høy i utgangspunktet, fordi når det er det, kan dette resultere i en økning i distraherbarhet, snarere enn forbedret kognitiv fleksibilitet. Som sådan forventer etterforskerne at (2a) baseline TBR vil moderere effekten av koffein på kognitiv kontrollytelse (muligens hovedsakelig TACT-fokusytelse), og at (2b) baseline EBR vil moderere effekten av koffein på kognitiv kontrollfunksjon (muligens hovedsakelig TACT skiftende ytelse).

Det tredje målet med denne studien vil være å undersøke effekten av koffein på emosjonell prosessering, og rollen til TBR her. Viktigere, koffein har tradisjonelt vært antatt å øke trusselrelatert prosessering og angst, spesielt i høyere doser. Imidlertid viser et økende antall dyrestudier at små doser koffein faktisk kan være angstdempende. Delvis kan dette skyldes en økning i kognitive og oppmerksomhetskontrollevner. Selv om relasjonen er kompleks, påvirker nemlig angst og oppmerksomhetskontroll hverandre gjensidig. Angst kan øke årvåkenheten for trusselrelatert behandling, mens oppmerksomhetskontroll kan beskytte mot dette. En optimal dose koffein kan teoretisk sett øke oppmerksomhetskontrollen i den grad dette reduserer overprosessering av trusselrelatert informasjon. De doseavhengige effektene av dopamin, nor-adrenalin og koffein forutsier imidlertid at denne optimale dosen avhenger av basale nivåer av disse transmitterne og derfor muligens av angst som er assosiert med økt dopamin- og nor-adrenalinaktivitet. Den potensielle nytten av moderate doser av koffein som et profylaktisk legemiddel for (oppmerksomhetssymptomer på) angst kan da avhenge kritisk av en slik mulig modererende påvirkning av angst. I denne studien undersøkte etterforskerne denne sammenhengen ved å ta hensyn til de modererende effektene av egenskapsangst i effekten av koffein på emosjonell prosessering. Etterforskerne forventer at (3a) høyere TBR vil være relatert til økt interferens på EST, (3b) en moderat dose koffein vil redusere emosjonell interferens på EST, (3c) effekten av koffein på emosjonell interferens vil bli mediert av en endring i TBR, og at (3d) effekten av koffein på emosjonell interferens vil bli moderert av individuelle forskjeller i egenskapsangst.

Egenskapsangst vil bli målt via selvrapportering ved bruk av STAI-t, som legges til som en kovariat i analysene der forholdet mellom TBR og AC undersøkes. Til slutt, i denne studien vil etterforskerne undersøke flere andre mulige forvirrende faktorer i forholdet mellom koffeinforbruk og kognitiv kontroll, inkludert selvrapporteringsmål for egenskaper og tilstandskontroll, angst, søvnighet og ADHD-symptomer.

STUDERE DESIGN

En dobbeltblind, randomisert, placebokontrollert, cross-over studie. Etter en første treningsøkt vil deltakerne besøke laboratoriet to ganger, atskilt med omtrent en uke. I disse to laboratorieøktene vil deltakerne oralt innta en kapsel som inneholder 200 mg ren koffein (en tilsvarende mengde koffein finnes i ca. 2 kopper kaffe) og en kapsel som inneholder et placebofyllstoff (randomisert og dobbeltblind administrering). Blinding og randomisering av kapseltildeling vil bli gjort av apoteket til Leiden University Medical Center (LUMC).

DELTAKERE

Førti friske kvinnelige frivillige (i alderen 18-26 år) vil delta i denne studien. Deltakerne vil være ganske naive til koffeinforbruk (drikke ≤100 mg koffein, eller omtrent en kopp kaffe, per dag), og vil bli bedt om å avstå fra koffein- og alkoholforbruk i 12 timer før starten av laboratorieøktene. Deltakerne vil være studenter rekruttert ved Universitetet i Leiden gjennom ulike annonser (f.eks. på universitetsområdet). Deltakere som har trukket seg fra studien vil, når det er mulig, bli erstattet av en annen tilfeldig valgt deltaker. For slike erstatningsdeltakere har LUMC-farmasøyten utarbeidet blindede kapsler som inneholder placebo og koffein i samme rekkefølge som den opprinnelige deltakeren de erstatter.

PROSEDYRER

Etter online screeningprosedyrer vil kvalifiserte deltakere bli testet på samme tid på tre separate dager. Testøkter vil finne sted mellom 10:00 og 17:00, og varer i ca. 2 timer per økt. Deltakerne vil bli bedt om å avstå fra alkohol- og koffeinforbruk i 12 timer før eksperimentet starter. På den første testdagen (treningsdagen), vil deltakerne fylle ut spørreskjemaer som vurderer demografi, egenskapsnivåer for oppmerksomhetskontroll (ACS), egenskapsangstnivåer (STAI trait subscale), vanlig søvnighet (ESS) og ADHD-symptomer (ADHD Rating Scale-IV) . Videre vil hviletilstands-EEG (8 minutter i vekselvis 1 minutts blokker med øyne åpne/lukkede) og spontan EBR (én øyneåpen blokk på 4 minutter) måles. I tillegg vil deltakerne bli kjent med de kognitive oppgavene (TACT; N-Back; EST). Deltakerne vil fullføre disse tiltakene for å redusere nyhet eller læringseffekter i påfølgende testøkter. På hver testdag vil statlige spørreskjemaer (nåværende søvnighet, KSS; oppmerksomhetskontroll, VAS; og angst, STAI state subscale) administreres mellom hvert 4 min (EBR) og 8 min (EEG) baseline mål, og på slutten av dagen (dvs. administrert to ganger på den første treningsdagen, og tre ganger på dagen 2/3 forbruksdager).

Den andre testdagen vil være omtrent en uke etter den første testdagen. Før kapselforbruk vil EEG og EBR bli målt. Deltakerne vil da motta en kapsel som inneholder enten koffein (200 mg) eller placebo (dobbeltblind, randomisert administrering). Etter en 30 minutters pause (ettersom koffein bruker omtrent en halvtime på å bli aktiv), vil EBR og EEG bli målt igjen. Til slutt skal deltakerne fullføre de samme kognitive oppgavene de fullførte den første dagen.

På den tredje testdagen vil testprotokollen for den andre dagen bli gjentatt, med unntak av at den andre, gjenværende koffein (200 mg) eller placebokapsel vil bli administrert.

KOGNITIVE KONTROLLOPPGAVER

Alle kognitive oppgaver (TACT; N-Back; Emotional Stroop Task) programmeres og fullføres på en datamaskin ved hjelp av E-Prime (v2.0). De kognitive kontrolloppgavene er beskrevet nedenfor.

1. To-faktor oppmerksomhetskontrolloppgave (TACT): TACT er en global/lokal kongruensoppgave som tar sikte på å måle oppmerksomhetsfokusering og oppmerksomhetsforskyvning. I denne oppgaven får deltakerne vist en stor pil som består av flere mindre piler som peker i samme (kongruente) eller motsatt (inkongruente) retning. Deltakerne blir bedt om å svare på retningen til den store pilen eller de mindre pilene så raskt som mulig uten å gjøre for mange feil. De kan gjøre det ved å trykke på venstre eller høyre piltast på et tastatur, ved å bruke pekefingeren og langfingrene på deres dominerende hånd. Før en pil vises, ser deltakerne en grå skjerm i 500 ms, hvoretter ordet "Large" i fargen blå eller "Small" i fargen gul vises i 500ms, som indikerer hvilken pil deltakerne må svare på. Etter en 250ms grå skjerm vises pilen midt på skjermen, som forsvinner etter 2000ms eller når et svar gis. På hver prøve vises pilen i en litt annen posisjon for å sikre at deltakerne ser på pilen i stedet for å feste seg på noen få piksler på skjermen (noe som i teorien kan være tilstrekkelig til å identifisere retningen til pilene).

   I oppmerksomhetsfokusdelen av oppgaven fullfører deltakerne to blokker med 52 forsøk hver. I den ene blokken svarer deltakerne kun på retningen til den store pilen, og i den andre blokken svarer deltakerne kun på retningen til de mindre pilene. TACT-fokusytelse måles ved å trekke RT-er på kongruente forsøk (dvs. forsøk der ingen hemming av distraksjon av piler som ikke er tilstede er nødvendig) fra RT-er på inkongruente forsøk (dvs. forsøk der deltakerne må hemme deres respons på distraksjonen av ikke-besøkte piler). Som sådan indikerer mindre forskjeller i RT-er bedre fokusytelse. I oppmerksomhetsskift-delen av oppgaven fullfører deltakerne to blokker med 120 forsøk, atskilt med en ett-minutters pause, der retningen på pilen som deltakerne må svare på endres hver sjette forsøk (dvs. 40 skift totalt) . TACT-skiftytelse beregnes ved å trekke RT-er på de to siste forsøkene før et oppmerksomhetsskifte fra RT-er på de to første forsøkene etter et oppmerksomhetsskifte (dvs. forsøk der deltakerne flyttet oppmerksomheten fra å se på større til mindre piler eller omvendt). Som sådan indikerer mindre forskjeller i RT-er bedre skiftytelse. De to forsøkene før og etter et skift er alltid inkongruente for å øke vanskeligheten (og dermed sannsynligvis skiftkostnadene) for denne oppgaven. Rekkefølgen på fokusblokker (dvs. store piler eller mindre piler først), og rekkefølgen på først å fullføre fokus- eller skifteblokker, balanseres over deltakerne. Forsøk der deltakerne gir feil svar, eller usannsynlig sakte eller raske svar, analyseres ikke videre.

2. N-Back-oppgave: N-back-oppgaven er en oppgave som vurderer ulike arbeidsminneprosesser. I N-Back-oppgaven blir deltakerne sekvensielt vist bokstaver. Deltakerne må angi om gjeldende bokstav samsvarer med bokstaven vist n steder før, ved å bruke 1 ("samme bokstav") eller 2 ("annen bokstav") på et tastatur. 1-rygg og 3-rygg oppgavene ble administrert, ettersom koffein sannsynligvis har størst innflytelse på 3-ryggs oppgaveytelse, og kanskje ikke i stor grad påvirker 1-rygg og 2-rygg oppgaveytelse. For hver n-ryggtilstand vises totalt 75 bokstaver, hvorav 25 (33%) er treff (dvs. forsøk som ble vist n plasser tilbake). De tre første forsøkene i hver blokk er aldri mål. Hver bokstav vises i 500ms, som etterfølges av en 1500ms blank skjerm. Deltakere kan svare på brevet i hele dette intervallet på 2000 ms. Før hver n-ryggtilstand får deltakerne instruksjoner og eksempler på oppgaven (under veiledning av forskeren på treningsdagen), og gjennomfører 21 treningsforsøk (7 treffforsøk), for å være sikker på at de forstår oppgaven. Rekkefølgen på 1-back og 3-back fullføring vil bli utlignet over deltakerne. Ytelse måles ved å undersøke nøyaktighetspoeng (% riktig), og ved å undersøke RT-er på korrekt besvarte forsøk.
3. Emosjonell Stroop-oppgave (EST): EST er en variant av den tradisjonelle Stroop-oppgaven (der deltakerne må navngi fargen på et ord som er skrevet ut i en annen fargenavn, f.eks. navngi fargen på ordet "rød" skrevet med blått blekk). I EST vises emosjonelt belastede bilder, som en farget firkant er lagt over. Deltakerne må svare på fargen på firkanten, og som sådan må de hemme den distraherende påvirkningen av bildene. Bilder velges fra IAPS-databasen og velges basert på deres balanse- og opphisselsesvurderinger for å representere tre bildeforhold: nøytral, negativ og positiv. For hver av bildebetingelsene vises 4 bilder (hver gang med firkanten på et annet sted: øverst eller nederst x venstre eller høyre) 8 ganger (dvs. 32 forsøk per tilstand, totalt 96 forsøk). Fargen på firkanten er tilfeldig valgt fra tre mulige alternativer (rød, gul eller blå) på hver prøveversjon. Under hver prøve vises først et bilde i 200 ms, hvoretter en farget firkant legges over dette bildet på en av fire mulige steder. Deltakerne får da 1800 ms til å svare på fargen på firkanten, noe de kan gjøre ved å bruke fargede knapper i en standard svarboks. Deretter vises en 2000ms grå skjerm, hvoretter neste bilde vises. Før selve oppgaven gjennomfører deltakeren 24 øvingsforsøk der nøytrale bilder vises. Ytelse på Emotional Stroop-oppgaven måles ved å undersøke RT-er på forsøk med negative og positive tilstander, sammenlignet med RT-er på nøytrale tilstandsforsøk, på korrekt besvarte forsøk.

SPØRRESKJEMAER

Alle egenskapsspørreskjemaer (ACS; STAI-t; ADHD Rating Scale-IV; ESS) programmeres og fylles ut på en datamaskin ved hjelp av E-Prime (v2.0). Statlige spørreskjemaer (STAI-er; VAS AC-er; KSS) fylles ut med penn og papir. Spørreskjemaene er beskrevet nedenfor.

1. Attentional Control Scale (ACS): En modifisert nederlandsk oversettelse av ACS vil bli administrert til deltakerne. ACS tar sikte på å måle oppmerksomhetskontroll, vurdert med 20 utsagn som måler oppmerksomhetsskifte (f.eks. "Jeg kan raskt bytte fra en oppgave til en annen"), oppmerksomhetsfokus (f.eks. "Konsentrasjonen min er god selv om det er musikk i rom rundt meg") og fleksibel tanke (f.eks. "Jeg har vanskelig for å komme opp med nye ideer raskt"). Deltakerne må angi i hvilken grad utsagnene gjenspeiler deres oppmerksomhetskontroll på en 4-punkts skala, fra 1 ("nesten aldri") til 4 ("alltid").
2. State-Trait Anxiety Index (egenskapsunderskala; STAI-t): Egenskapsskalaen til den nederlandske STAI består av 20 elementer som måler egenskapsangst (f.eks. "Jeg bekymrer meg for mye over noe som egentlig ikke betyr noe"). Deltakerne kan svare på disse elementene ved å bruke en 4-punkts vurderingsskala, fra 1 ("nesten aldri") til 4 ("nesten alltid").
3. ADHD Rating Scale-IV: En modifisert nederlandsk oversettelse av ADHD Rating Scale-IV vil bli administrert til deltakerne. Dette spørreskjemaet består av 23 elementer som måler ADHD-symptomer på hyperaktivitet/impulsivitet (f.eks. "Jeg føler meg rastløs") og uoppmerksomhet (f.eks. "Jeg blir raskt distrahert"). Deltakerne blir bedt om å vurdere i hvilken grad varen gjaldt dem i løpet av de siste 6 månedene, på en skala fra 0 ("Aldri eller sjelden") til 3 ("Svært ofte").
4. Epworth Sleepiness Scale (ESS): ESS brukes som et mål på vanlig søvnighet. På ESS blir deltakerne bedt om å vurdere hvor sannsynlig det er at de vil døse i åtte vanlige og nylige situasjoner (f.eks. "Mens de ser på TV"), ved å bruke en skala fra 0 ("ville aldri døse") til 3 ( "Stor sjanse for å døse").
5. State-Trait Anxiety Index (tilstandsunderskala; STAI-s): Tilstandsskalaen til den nederlandske STAI består av 20 elementer som måler hvor engstelige deltakere føler seg i dette øyeblikket (f.eks. "Jeg føler meg rolig", "Jeg bekymrer meg"). Deltakerne kan svare på disse elementene ved å bruke en 4-punkts vurderingsskala, fra 1 ("Ikke i det hele tatt") til 4 ("Mye").
6. Karolinska Sleepiness Scale (KSS): KSS er en 9-punkts VAS som vurderer subjektiv, øyeblikkelig søvnighet. Deltakerne blir bedt om å rapportere hvor våkne eller søvnige de er på en skala fra 1 ("Veldig våken") til 9 ("Veldig trøtt (kampsøvn)").
7. VAS AC-er: VAS oppmerksomhetskontrollskalaen består av seks elementer som vurderer deltakernes nåværende følelser av oppmerksomhetskontroll (f. "Jeg har problemer med å konsentrere meg"). Deltakerne må angi i hvilken grad gjenstanden gjenspeiler deres nåværende oppmerksomhetskontroll ved å markere 100 mm linjer, forankret med "Ikke i det hele tatt" og "Mye" på venstre og høyre side.

EBR- OG EEG-MÅLING

1. Spontane øyeblinkhastigheter (EBR): Spontan EBR vil bli samlet inn i løpet av 4 min. øyeåpne blokk ved hjelp av vertikal EOG, som registrerer spenningsforskjeller mellom to elektroder plassert over og under øyet. På disse 4 min. intervall, vil deltakerne bli bedt om å se på et sentralt punkt i rommet i en avslappet tilstand. Individuell EBR vil bli beregnet ved å dele det totale antallet øyeblink i løpet av de 4 min. intervall med 4.
2. Spontan EEG: Spontan EEG vil bli registrert i 8 min. kontinuerlig i vekslende 1-minutts blokker med øyne åpne/lukkede øyne. EEG-opptak vil bli tatt over hodebunnen ved hjelp av 16 elektroder, plassert i henhold til det internasjonale 10/20-systemet, ved bruk av ActiveTwo BioSemi-systemet. Elektroder vil bli plassert på venstre og høyre mastoid for offline omreferanse av hodebunnssignalene til gjennomsnittet av mastoidsignalene. For å måle øye- og blinkbevegelser, vil elektrookulogram (EOG) elektroder plasseres over og under venstre øye (vertikal EOG) og ekstern canthi av hvert øye (horisontal EOG). Offline databehandling vil bli gjort i Brain Vision Analyzer V2.02. Et 0,1-Hz høypassfilter, 100-Hz lavpassfilter og 50-Hz notch-filter brukes. Data vil bli analysert i fire sekunders segmenter. Dataene blir automatisk korrigert for okulære artefakter og segmenter som inneholder gjenværende artefakter vil bli fjernet. En rask Fourier-transformasjon (med en oppløsning på 0,25 Hz, ved bruk av et hamming-vindu på 10%) vil bli brukt for å beregne arealeffekttettheten for beta- (13-30 Hz) og theta- (4-7 Hz) frekvensbånd. Effekttetthetene for de tre frontale elektrodene vil bli beregnet til mål for frontal beta og frontal theta effekttetthet, og brukt til å beregne theta/beta-forhold, som vil bli log-transformert i tilfelle ikke-normalitet.

DATABEHANDLING

Ytterligere fjerning for hver kognitiv oppgave vil bli gjort på en prøve-til-prøve-basis (unntatt usannsynlig raske og/eller langsomme svar) for hver deltaker. Først vil en grov RT-fjerning bli brukt, hvoretter en mer sofistikert fjerning av utenforliggende forsøk vil bli utført. Basert på tidligere studier med disse oppgavene, vil følgende forsøk bli fjernet:

1. TAKT: forsøk raskere enn 200 ms eller langsommere enn 1 200 ms, hvoretter forsøk fullført raskere eller langsommere enn 2,5 SD-er av gjennomsnittlig RT for den oppgaven vil bli fjernet.
2. N-Back: forsøk raskere enn 300 ms vil bli fjernet.
3. EST: forsøk raskere enn 300 ms eller langsommere enn 1200 ms, hvoretter forsøk fullført raskere eller langsommere enn 2,5 SD-er av gjennomsnittlig RT for den oppgaven vil bli fjernet.

Det er noen bevis på stabiliteten til TBR og EBR over tid, som samsvarer med forestillingen om at disse markørene reflekterer stabile, egenskapslignende nevrale prosesser. Påvirkningen av statsavhengige omstendigheter på disse tiltakene er imidlertid fortsatt ikke fullt ut forstått. I denne studien vil baseline TBR og EBR bli målt på hver testdag, men bare ett av disse TBR og ett av disse EBR baseline målene vil bli brukt som egenskapslignende nevrale markører i moderasjonsanalysene. Valget av hvilke av disse grunnmålene som skal brukes i moderasjonsanalysene, er basert på følgende regler:

1. Hvis etterforskerne finner at TBR- eller EBR-baseline-mål på dag 1 er svært like (gjennomsnittlig sammenligning og/eller korrelasjon) med deres tilsvarende baseline-mål på dag 2 og dag 3, vil dag 1-baseline-målene bli brukt i moderasjonsanalysene.
2. Hvis etterforskerne finner at TBR- eller EBR-baseline-mål på dag 1 avviker sterkt fra deres tilsvarende baseline-mål på dag 2 ELLER dag 3, vil dag 1-baseline-målene bli brukt i moderasjonsanalysene.
3. Hvis etterforskerne finner at TBR- eller EBR-baseline-tiltak på dag 1, dag 2 og dag 3, alle avviker sterkt fra hverandre, vil dag 1-baseline-målene bli brukt i moderasjonsanalysene.
4. Hvis etterforskerne finner at TBR- eller EBR-baseline-mål på dag 2 og dag 3 er svært like, men skiller seg sterkt fra deres tilsvarende baseline-mål på dag 1, vil de gjennomsnittlige baseline-målene på dag 2 og dag 3 bli brukt i moderasjonsanalysene.